新型高安全性的智能電表自動化檢定系統(tǒng)

張曉穎　莊葛巍　朱　錚　謝佳峰

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院1,上?！?00051；萊特州立大學(xué)電氣工程系2，美國 俄亥俄州代頓　45435)

新型高安全性的智能電表自動化檢定系統(tǒng)

張曉穎1莊葛巍1朱錚1謝佳峰2

(國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院1,上海200051；萊特州立大學(xué)電氣工程系2，美國 俄亥俄州代頓45435)

摘要：隨著智能電網(wǎng)工程的發(fā)展，智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全性越來越受到人們的關(guān)注。為使智能電表的自動化檢定系統(tǒng)得到大范圍推廣應(yīng)用，在結(jié)合檢測系統(tǒng)本身特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了一種新型高安全的智能電表自動化檢定系統(tǒng)。通過結(jié)合橢圓曲線密碼器技術(shù)，對智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行初步的評測探索和研究。分析表明，提出的自動化檢定系統(tǒng)具有高安全性和低資源消耗等優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動化檢定系統(tǒng)系統(tǒng)安全有限域乘法器脈動結(jié)構(gòu)橢圓曲線密碼器高安全性可靠性智能電表電力行業(yè)

0引言

隨著電力行業(yè)和國家電網(wǎng)的大力發(fā)展，智能電表計(jì)量自動化檢定系統(tǒng)成為越來越重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)意義上的智能電表檢測主要依賴人工，不僅耗時長，而且人力成本非常高[1-3]。該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)通信為載體，通過多種路徑到達(dá)計(jì)算機(jī)終端，與工程現(xiàn)場進(jìn)行信息通信和數(shù)據(jù)交換[4-8]。

自動化檢定系統(tǒng)具有高度的集成性和復(fù)雜性，因此有必要對系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行系統(tǒng)性研究。該研究不僅會對國內(nèi)相關(guān)或者類似系統(tǒng)的安全性研究具有重要意義，而且可以保障國家電網(wǎng)工程建設(shè)的安全性。當(dāng)然，該系統(tǒng)本身所具有的自動化檢測能力將大大降低電網(wǎng)建設(shè)和后續(xù)維護(hù)的費(fèi)用，最終對于提高企業(yè)效益和人們生活水平都有顯著效果。

1檢測系統(tǒng)模型分析

串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和旁聯(lián)模型如圖1所示。

圖1　三種檢測系統(tǒng)模型

1.1串聯(lián)模型

串聯(lián)模型指的是所有的智能電表都采用串聯(lián)的方式，因此系統(tǒng)中任何一個智能電表出故障都會造成整個系統(tǒng)的故障，具體如圖1(a)所示。這類結(jié)構(gòu)大大增加了智能電表檢測的難度，如果系統(tǒng)出問題，只能挨個進(jìn)行測試，這將造成資源大量重復(fù)使用和浪費(fèi)。

1.2并聯(lián)模型

并聯(lián)模型就是所有的智能電表都采用并聯(lián)的方式，這樣，只有當(dāng)系統(tǒng)里的每一個智能電表都發(fā)生故障時，系統(tǒng)才停止工作，如圖1(b)所示。與圖1(a)的串聯(lián)模型相比，并聯(lián)模型能更好地工作。

1.3旁聯(lián)模型

在旁聯(lián)模型下，整個系統(tǒng)的n個智能電表只有一個在工作。當(dāng)正在工作的智能電表出現(xiàn)故障后，可以通過轉(zhuǎn)換設(shè)備接到另外一個智能電表，使其繼續(xù)工作，一直等到所有的智能電表都出現(xiàn)故障時才停止，如圖1(c)所示。

2橢圓曲線加密器

智能電表自動化檢定系統(tǒng)包含了大量的信息傳輸與處理。系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)的安全性傳輸也越來越受到關(guān)注。本設(shè)計(jì)著重開發(fā)基于有限域GF(2m)橢圓曲線加密系統(tǒng)[9]。

橢圓曲線密碼系統(tǒng)是一種由Koblitz和Miller在1985年分別提出的公匙密碼系統(tǒng)[9]。在所有已知的公匙密碼系統(tǒng)中，橢圓曲線密碼系統(tǒng)具有安全性最高、處理速度最快和開銷最低等特點(diǎn)，是目前信息安全性傳輸研究的熱點(diǎn)。

2.1設(shè)計(jì)流程

基于有限域GF(2m)的乘法器是橢圓曲線加密器的底層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要改進(jìn)加密系統(tǒng)底層最基本單元，即從基于有限域GF(2m)的乘法器開始；然后在改進(jìn)的有限域GF(2m)乘法器基礎(chǔ)上，進(jìn)行加密系統(tǒng)本身的算法優(yōu)化；最后在算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相對應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，使得整個加密系統(tǒng)的低資源利用得以實(shí)現(xiàn)。

2.2有限域GF(2m)乘法器

有限域GF(2m)乘法器是橢圓曲線加密系統(tǒng)上執(zhí)行點(diǎn)加和點(diǎn)乘的基本運(yùn)算單元。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局為此推薦了5個多項(xiàng)式用于有限域GF(2m)乘法運(yùn)算[9]，其中有2個是三項(xiàng)式，3個是五項(xiàng)式。近年來，許多研究都集中在脈動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的三項(xiàng)式有限域GF(2m)乘法器上面。特別是近期的一篇文章，推出了基于Karatsuba方法的三項(xiàng)式有限域GF(2m)脈動結(jié)構(gòu)乘法器[10]。該乘法器具有速度快和資源消耗低等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的乘法器將在此基礎(chǔ)上有進(jìn)一步的改進(jìn)。

基于Karatsuba方法的三項(xiàng)式有限域GF(2m)脈動結(jié)構(gòu)乘法器[10]的具體算法如下所示。

在有限域GF(2m)中,任何一個元素都可以表示為：

(1)

式中：αi∈GF(2)。

接著，式(1)也可以表示為：

(2)

并且：

(3)

(4)

這樣的話，2個階數(shù)為m的多項(xiàng)式A和B都可以寫成式(2)的形式，那么就可以得到這2個多項(xiàng)式的乘積C，如下式所示。其中乘積C和A一樣，也具有類似的多項(xiàng)式表達(dá)式。B也是如此。為此，可以得到：

(5)

(6)

基于該算法的脈動結(jié)構(gòu)存在一個主要的缺點(diǎn)，即該結(jié)構(gòu)在執(zhí)行該算法的最后一步運(yùn)算時，并沒有考慮到關(guān)鍵路徑的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致該算法在數(shù)位比較小時，頻率較低。為此，本文提出了一種新的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行該算法的最后一步，如圖3所示。圖3中，黑塊表示寄存器。

圖3　最后一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

最后一步，通過寄存器的設(shè)計(jì)來進(jìn)行關(guān)鍵路徑的限制。當(dāng)整個結(jié)構(gòu)選擇特定的數(shù)位時，最后一步的結(jié)構(gòu)就選擇相應(yīng)的寄存器設(shè)計(jì)，這樣使得最后一步的關(guān)鍵路徑和前面幾步的關(guān)鍵路徑完全一致，避免了由于之前設(shè)計(jì)缺陷所帶來的頻率問題。

2.3橢圓曲線加密器

橢圓曲線加密器主要是基于橢圓曲線上點(diǎn)計(jì)算的問題，主要曲線可以表示如下[11]：

E:y2+xy=x3+ax2+b

(7)

假如設(shè)定曲線上的三個坐標(biāo)分別是X、Y和Z，加密系統(tǒng)的基本運(yùn)算就如下所示：

(8)

(9)

(10)

所有的參數(shù)都與相關(guān)的曲線相對應(yīng)。由式(8)～式(10)可以看出，橢圓曲線加密器的運(yùn)算很大一部分都取決于乘法器和加法器的運(yùn)算。在有限域GF(2m)中，加法器的運(yùn)算可以由XOR門的運(yùn)算簡單完成，因此，整個橢圓曲線加密的運(yùn)算在很大程度上取決于乘法器的運(yùn)算。

此外，由式(8)～式(10)也可以看出，整個加密器速度的快慢也很大程度上取決于乘法器和加法器的數(shù)量。在某一個運(yùn)算周期內(nèi)，若是乘法器和加法器的數(shù)量夠多，就可以實(shí)現(xiàn)該運(yùn)算周期內(nèi)所有運(yùn)算的平行運(yùn)算，從而縮短整體加密器的運(yùn)算時間。但是與之對應(yīng)的將是付出巨大的資源代價。傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)，很多都采用了非脈動結(jié)構(gòu)的乘法器，因此整體速度就相當(dāng)受限制。由于本文采用了基于脈動結(jié)構(gòu)的乘法器，因此速度得到很大提升。加密器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　加密器整體結(jié)構(gòu)圖

加密器主要由控制單元、運(yùn)算單元和寄存器組成。控制單元主要負(fù)責(zé)在每一個運(yùn)算周期內(nèi)運(yùn)算單元的調(diào)用，并將數(shù)據(jù)存取到寄存器。在每一個時鐘周期內(nèi)，運(yùn)算單元和寄存器相互配合，一方面把前一個周期內(nèi)存在寄存器里的數(shù)據(jù)調(diào)到運(yùn)算單元進(jìn)行運(yùn)算，另一方面把運(yùn)算單元得到的結(jié)果存到寄存器。

3自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行了前面各方面的研究確認(rèn)后，本部分將重點(diǎn)討論如何進(jìn)行自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也將討論測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的安全性問題。測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

測試系統(tǒng)在進(jìn)行智能電表測試時，首先要發(fā)出測試信號，以檢查智能電表是否運(yùn)行在正常范圍，為了保證安全性，測試信號將首先被加密，接著加密后的信號將被輸送到智能電表系統(tǒng)。智能電表本身內(nèi)部有自置的解碼單元，當(dāng)智能電表處在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，將發(fā)出正常運(yùn)轉(zhuǎn)的信號。

為了保護(hù)智能電表的信號，發(fā)出的反饋信號又將被再一次加密，而系統(tǒng)控制總部在接到加密的反饋信號后進(jìn)行解碼，將得到智能電表系統(tǒng)是否處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

由于采用了先進(jìn)的基于脈動結(jié)構(gòu)的有限域GF(2m)乘法器，本設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)將具有強(qiáng)大的安全保護(hù)信號傳輸能力。由于脈動結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，該測試系統(tǒng)具備速運(yùn)行的能力。

此外，該系統(tǒng)的高安全性也大大加強(qiáng)了其自動檢測能力。由于傳輸?shù)男盘柼幵诟叨缺Ｃ軤顟B(tài)，使得智能電表的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)被控制總部掌握，大大減少了原有檢測方式帶來的數(shù)據(jù)管理不易的問題。

4系統(tǒng)的應(yīng)用

采用智能電表自動檢測系統(tǒng)，成功地解決了原有檢測方法效率低下問題，實(shí)現(xiàn)了智能電表端的自動化測試和高度安全性的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)能切實(shí)掌握整個系統(tǒng)內(nèi)的各個智能電表的運(yùn)行狀況，減少了人工成本的支出。該系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用到其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

系統(tǒng)檢測規(guī)模如表1所示。

表1　檢測規(guī)模

5系統(tǒng)的實(shí)施效益分析

5.1經(jīng)濟(jì)效益

智能電表自動化檢定系統(tǒng)在正式投入使用之后，通過技術(shù)分析和市場初步調(diào)研，每年該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)約數(shù)百萬只用電采集終端設(shè)備的檢測。由于采用了自動化流水作業(yè)和加密處理，勞務(wù)人員可減少大約65%，檢測時間可以節(jié)約65%，至少可以節(jié)約幾百萬元資金。同時，由于測試成本的降低，人們將享受更加穩(wěn)定和價廉的用電。隨著技術(shù)的再發(fā)展，本系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。

5.2社會效益

本系統(tǒng)的建成將明顯地提高智能電表終端數(shù)據(jù)監(jiān)測管理水平，一方面避免用電終端出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)錯誤并由此產(chǎn)生民眾不滿情緒，另一面也加強(qiáng)了整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)作能力，對于保障國家能源安全、增強(qiáng)民眾滿意度具有顯著效果。本系統(tǒng)可在以下幾方面產(chǎn)生不錯的社會效益。

①減少了由于偷電、漏電帶來的一系列社會性問題，對于保障人們利益、提高人們生活水平都有重要的意義。此外，本系統(tǒng)對于整個電力系統(tǒng)的安全保障性，也有很重大的價值。

②系統(tǒng)采用自動化檢測技術(shù)，將大大提高勞動生產(chǎn)率，提高人力資源使用率。

③提高和加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的安全性，對于公司在人們心目中的形象有極大的提升。

6結(jié)束語

本文結(jié)合智能電表自動化檢定系統(tǒng)的自有特點(diǎn)，在改進(jìn)現(xiàn)有有限域乘法器的基礎(chǔ)上，成功結(jié)合橢圓曲線密碼器技術(shù)，對智能電表自動化檢定系統(tǒng)的安全可靠性進(jìn)行扎實(shí)的討論研究。經(jīng)分析表明，本文提出的智能電表自動化檢定系統(tǒng)具有高安全性和低資源消耗等優(yōu)點(diǎn)，社會經(jīng)濟(jì)效益和安全效果顯著，值得大力推廣使用。

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Novel and Highly Secure Automated Verification System for Smart Meters

Abstract：Along with the development of smart grid engineering project,the security of automated verification system for smart meters is more and more to be concerned.To popularize the application of automated verification system for smart meter,on the basis of combining with the features of the detection system itself,a novel and highly secure automated vefification system for smart meters is proposed.Through using the technology of elliptic curve cryptography device,the exploration,evaluation and research of security and reliability of automated verification system for smart meters are preliminarily conducted.The analysis shows that the proposed system has advantages of high security and low resource consumption,the system is worth to be spread.

Keywords:Automated detecting systemSystem securityFinite field multiplierPulsating structureElliptic curve cryptography deviceHigh securityReliabilitySmart metersElectric power industry

中圖分類號：TH7;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605019

修改稿收到日期：2015-10-13。

第一作者張曉穎(1976-)，女，2008年畢業(yè)于上海交通大學(xué)軟件工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事電能計(jì)量、自動化檢測方向的研究。